风电发展现状及特殊材料在风电设备中的应用

高健
（甘肃省电力公司电力科学研究院）

　　风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源，它对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。国家对可再生能源的利用，特别是风能开发利用给予了高度重视^[1]。
　　国家发改委能源研究所与能源署（IEA）2011年10月19日发布的《中国风电发展路线图2050》显示，到2020年、2030年和2050年，中国风电装机容量将分别达到2亿kW、4亿kW和10亿kW，届时分别满足5%、8%、17%的电力需求，风电将成为中国的5大电源之一。我国如何从“风能大国”变成“风能强国”，成为我国风电产业接下来要解决的主要问题。
　　然而，风电运行具有一定的特殊性。首先，由于风电都是分散安装在自然风较大的地方，这些地方要么位于比较偏僻、人口稀少的偏远山区，要么是沿海或者近海海上。其次，风力发电部分主设备安装在高空，且发电设备与电网输、变电设备的连接比较薄弱。可见，风电设备整个运行环境非常恶劣，安装在高海拔、高原地区的设备会受冰冻的影响，而安装在海上的设备也有腐蚀的问题。这就要求用于风电设备的材料必须具有优异的性能，例如较好的低温韧性和较好的抗腐蚀、氧化能力。另外，随着运行时间的增加，对材料的质量监督也非常必要。
　　一、世界风电发展现状
　　当前，随着原油价格持续走高，产业化条件Z为成熟的风力发电成为世界各国推动可再生能源发展的首选项目。
　　中国投资顾问产业研究中心发布的《风电行业研究周刊》第209期显示，截至2011年底，世界风电装机容量达到238.4GW，同比增长20.6%，2001-2011年期间年均增长约28%。
　　其中仅2011年世界新增风电装机容量达41000MW。这一数据表明全球累计装机实现了21%的年增长，新增装机增长达到6%。2011-2012年9月部分国家风电装机新增容量见表1，1996-2011年世界累计风电装机容量见表2。另外，2012年1月至9月，美国风电新增装机量为4.7GW，累计装机量已经达到51.6GW，涨幅创下了2009年以来的新高；欧洲风电装机量继续增加，特别是东欧部分国家（例如罗马尼亚、乌克兰等）的装机量出现了惊人的增长，目前欧洲的累计装机量已经达到100GW。相关资料显示，2012年中国新增风电装机近14GW，同比增长22.3%，中国总装机量达到76.7GW左右。由表3可知，全球风电年增长率整体呈现下降趋势，各国新增风电装机均有减缓。 　　印度2011年末风电装机容量超过了16000MW，其中2011年新增3GW装机容量，实现了里程碑式的发展。印度风电协会主席预计，到2015年，印度风电有望实现5GW的年增装机。欧盟2011年新增装机容量9616MW，累计装机容量达到93957MW。根据欧洲风能协会预测，这一装机容量可以满足欧洲6%的用电量。经历2010年的困境，美国风电实现了一定程度的反弹，2011年装机容量达到6800MW。2011年新增的风电装机能提供大约美国200万个家庭的用电。拉丁美洲经历了非常好的一年，风电新增装机达1200MW，巴西是其中的领先力量。巴西的新增装机容量达到587MW，总容量达到1500MW。
　　二、中国风电发展现状
　　尽管2011年中国风电面临诸多挑战，中国的风电累计装机容量依然达到了62000MW，占全球总容量的26.3%（见表4）。其中，2011年中国新增装机18000MW，占全球新增装机容量份额达到44%（见表5）。2011年是近10年来中国没有实现翻番或翻三番增长的第1年。 　　中国风电正进入稳步发展阶段，爆发式增长的问题也逐步显现。电网建设落后于电源建设，风机产能过剩等都是问题。中国海上风电发展目标是到2015年达到500万kW，但目前距离目标甚远，监管和选址仍是问题。但政府和行业都在积极推动海上风电发展，在东部和南部发展低风速风电也是一种趋势，并且享有优先并网的政策。因此，未来中国可能有更多靠近负荷中心的风电。
　　2011年，风电行业先是经历了频频发生的风电机组脱网事故，令国产风电设备在安装、质量等问题上被推到舆论的风口浪尖；紧接着，6月15日，财政部取消了2008年出台的对国产风电设备制造企业提供的补贴；另外，当前的货币紧缩政策导致一些风电企业融资困难。中国风电行业已进入一个优胜劣汰的过程。
　　2012年，在全球经济增速放缓，国内煤炭、钢铁、光伏等多行业普遍遇冷的大环境下，风电行业也未能幸免。2011年下半年拐点出现，风电高速增长的势头戛然而止，开始进入漫长的寒冬。回望2012年，一方面中国并网风电量首次超越美国，成为世界；另一方面是“弃风”的严峻现实，“消纳不畅”的难题仍未破解。
　　三、特殊材料在风电设备中应用
　　2012年来风电装机容量呈现惊人的增长速度，在这样的迅猛发展态势之下，风电机组的可靠性是否能够得到有效的保证，将是未来几年内必然暴露的问题。由于盲目地追求速度而使工程质量无法保证，这样的先例已经很多。
　　1.叶片
　　叶片是风力发电设备中的Z关键部件之一。风力发电机在工作过程中，叶片要承受较大的交变风力载荷、气流冲刷、砂石粒子冲击磨损、较强太阳光照射、雨、雪、冰雹等外界作用。因此，必须对叶片进行精心设计和制造，使其能在极端恶劣环境条件下正常运转。风机叶片体积较大、安装位置较高，因此为了满足可靠、经济的运行要求，还要具有质量轻、疲劳强度高及其它优异的力学性能。风力发电机功率的不断提高，对叶片材料的要求也越来越高。叶片材料的选择、制备工艺的优化对风力发电转子叶片十分重要。
　　复合材料由于具有质量轻、比强度高、抗疲劳、抗蠕变、抗冲击等优点，成为当今风机叶片的首选材料。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系，直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。随着叶片长度的不断增大，这种体系在某些场合已不能满足要求，于是很自然地，性能更优异的增强材料——碳纤维进入了叶片生产者的视野。一般认为，22m以下的叶片采用玻璃纤维，而大于42m的叶片则采用碳纤维或碳玻混杂纤维。树脂基体方面，聚酯树脂价格低廉，成型工艺性好，但性能一般，环氧树脂则刚好相反，性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用^[2]。
　　2.紧固件
　　风电用高强度紧固件由于长期在野外服役，服役环境一般为恶劣或极度恶劣，维护检修条件较差。正常连续工作情况下，风电紧固件要求必须保证15年以上的使用寿命。风电机组用高强度紧固件种类繁多，材质特殊，且紧固件的特殊服役条件要求其必须具有良好的力学性能。风电紧固件在技术上有一系列特点：高强度、高精度等级；服务条件严酷，它将随主机一起常年经受酷暑严寒和极端温差的考验，承受高温、低温的侵蚀；功率高，Z高达到5MW级；速差大、震动、腐蚀、重载等；除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，还会在工作中受到附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷；附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂。而在环境介质的作用下，轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂，以及高温条件下引起螺栓的螺变等。
　　目前，风电高强度螺栓大部分选择10.9级，少量为8.8级。10.9级高强度螺栓，其硬度值33～39HRC，抗拉强度Rm≥1040MPa，断后伸长率A≥9%，断面收缩率Z≥48%，低温冲击吸收能量（-45～-40℃）KV2≥27J。因此，大多数螺栓都采用合金结构钢制造，并经过调质处理。风电机组的高性能化和材料应用应力提高，以及主机尺寸减小、减速箱的轻量化，对螺栓提出了更高的设计应力和减重的要求，而Z有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度。
　　对保证风电紧固件表层足够深度能够被淬透从而得到较高的强度，要求钢材应具有足够的淬透性。在钢中添加适量的铬（Cr）、锰（Mn）、钼（Mo）、镍（Ni）、硼（B）等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度，还可改善钢材料的固溶强化、弥散强化和夹杂物的形成等冶金特性。通过加入少量的钒（V）、铌（Nb）等微量元素形成弥散细小的氮化物、碳化物或氮、碳话务或氮碳混合物，可起到弥散强化和晶粒细化效果，而这些弥散物通过增加晶界密度和位错可改善风电紧固件的冲击韧度。钢中合金元素含量越高，其淬透性以及强度也就越高，但相应的生产成本也明显增加，其中，含硼钢由于合金成本方面的优势具有重要的发展潜力。此外，淬火介质的冷却能力越大，淬硬层越深。
　　3.轴承
　　风电机组轴承大致可以分为4类：变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承（主轴和变速箱轴承）及发电机轴承。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部；变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位（除部分小功率MW级以下的风力发电机为不可调桨叶，无变桨轴承外，每台风力发电机设备用1套偏航轴承和3套变桨轴承）；主轴轴承连接轮毂和齿轮箱。风电机组轴承均为低速重载轴承，其中偏航和变桨轴承为不完全旋转轴承。
　　一般情况下，风电机组轴承在风沙、雨水、盐雾、潮湿等环境下，其安装、润滑及维修都具有一定的难度，为此不仅要求轴承具有足够的强度和承载能力，还必须要求其寿命长（一般要求20年）、安全可靠、运行平稳，且润滑、防腐及密封性能良好。其中偏航轴承同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷，故常采用单排四点接触球转盘轴承。对于涉及多学科的风电轴承来说，要特别注重制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制、控制措施以及特大型轴承寿命等关键技术的研究和应用。由于轴承采用滚动体，实际接触面积很小，导致接触应力非常高，其Z大值可达500MPa以上，因此选择抗压耐磨的材料，对于风电轴承尤为重要^[3]。
　　偏航、变桨风电轴承的套圈采用符合GB/T3077-1999规定的经调质或正火处理合金结构钢42CrMo，亦可采用性能相当或更优的其他材料。钢球采用符合GB/T18254-2002规定的GCr15或GCr15SiMn轴承钢，亦可采用性能相当或更优的其他材料。传动系统类轴承的套圈和滚动体一般采用电渣重熔冶炼的ZGCrl5或ZGCr15SiMn轴承钢制造，其热处理质量应符合ZJBJl1038-1993《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》的规定^[4]。
　　4.增速箱
　　风电行星增速箱主要零件是太阳轮、行星轮、一级齿轮/齿轴、二级齿轮/齿轴等。主要失效形式是：过载断齿、疲劳断齿、疲劳和胶合。材料及其热处理决定零件使用寿命的的主要技术指标是：接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。对化学热处理表面硬化零件而言，渗碳-淬火/渗氮质量决定接触疲劳强度；而材料质量决定弯曲疲劳强度。增速箱零件一般均采用高淬透性合金钢。通过提高材料的淬透性并控制淬透性带宽和通过降低氧含量、消除有害的氧化物夹杂、提高钢材的清洁度等措施以达到提高风电零件使用寿命的目的。
　　风电增速箱的齿轮和轴一般都采用Cr-Ni、C（碳）-Mo、Cr-Ni-Mo系列合金钢制造。外齿轮一般采用15CrNi6、17Cr2Ni2A、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA、20CrMnMo、20CrNi2MoA等材料进行渗碳淬火处理。内齿轮和轴类零件一般采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料进行调质处理，必要时内齿轮再进行深层气体渗氮处理，轴的重要部位再进行表面淬火处理。较高要求的齿轮轴可以采用16CrNi、17CrNi5、17CrNiMo6、20CrMo、20CrNi2Mo等材料进行渗碳淬火处理。
　　其中，中国的42CrMo材料近似于德国的DIN42CrMo4、美国的SAFA140。中国的20CrMnMo近似于德国的DIN20CrMo5、美国的SAE4119。中国的17Cr2Ni2Mo近似于德国的DINI7CrNiMo6，适用于模数≥l6的大型渗碳淬火齿轮/齿轮轴，Z大使用截面达到1200mm^[5]。
　　四、结语
　　中国风电产业发展异常迅猛，装机容量不断增大。随着风电技术的进一步成熟，风电成本将逐年降低。同时，新材料的应用，也为风电设计产生更大空间，相信经过风电运营商的的整合和优胜劣汰，我国风电产业将会逐步良性发展，风电业将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。
　　参考文献
　　[1]风电发展前景可期[J].技术与市场，2012，19（5）：371.
　　[2]戴春晖，刘钧，曾竞成，等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J].玻璃钢/复合材料，2008（1）：53-56.
　　[3]朱亮，李言.材料特性对风电轴承耐久性的影响[J].西安理工大学学报，2009（5）：460-465.
　　[4]何加群.风力发电机组配套轴承技术和市场情况分析[J].轴承，2009（5）:54-58.
　　[5]李红革.风电增速箱零件的材料及其热处理[J].热处理技术与装备，2010（2）:9-13.